[发明专利]编码β-葡萄糖苷酶的基因及重组表达载体及重组酿酒酵母表达菌株及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种β-葡萄糖苷酶基因及该基因的表达及其在能源、医药、食品、化工领域中的应用。

背景技术

β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase，EC3.2.1.21)，是一种能催化糖基基团转移反应的酶。它能水解多种β-葡萄糖苷键，具有底物广谱性，几乎存在于一切生物体内，有着多方面的、重要的生理功能；同时在体外特定的条件下，它还能催化合成反应，如催化合成烷基糖苷。因此，它在能源、医药、食品、化工等领域中有着重要的应用价值。

能源领域是β-葡萄糖苷酶最为重要的一个应用领域，即木质纤维素原料降解、生产生物燃料如乙醇、丁醇等。β-葡萄糖苷酶作为纤维素酶系三类水解酶之一(另两类为：外切葡聚糖酶，EC3.2.1.91，cellobiosidase；内切葡聚糖酶，EC 3.2.1.4，glucanohydrolase)，负责进一步水解由外切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶作用得到的纤维寡糖或纤维二糖为葡萄糖，同时解除纤维寡糖或纤维二糖积累对外切葡聚糖酶/内切葡聚糖酶的抑制作用，因此，β-葡萄糖苷酶催化的水解反应是纤维素降解、进一步生产生物燃料中的限速步骤(Sukumaran RK，Singhania RR，Pandey A.2005.Microbial cellulases-Production，applications and challenges.Journal of Scientific & Industrial Research，2005，64(11)：832-844)。早先相关的工艺路线是先糖化后发酵(Separate Hydrolysis and Fermentation，SHF)，即先预处理木质纤维素，再用纤维素酶水解其中的纤维素组分产生单糖，然后用酵母菌或其它微生物发酵产生乙醇、丁醇等，其缺点是糖化步骤中积累的葡萄糖会反馈抑制β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖，而纤维二糖的积累反过来又抑制外切葡聚糖酶和内切葡聚糖酶的活性，导致纤维素降解的终止。这种工艺后来改进为同步糖化发酵(Simultaneous Saccharification and Fermentation，SSF)，即纤维素酶对纤维素的水解和酵母菌或其它微生物发酵在同一容器中进行，一边酶解产生糖，一边发酵转化成醇，其优点是减少了反应器的个数降低了设备投资，同时避免了产物抑制问题。缺点是纤维素酶酶活低、生产成本高的问题仍然存在，同时纤维素酶的作用温度和常用发酵酵母菌或其它微生物的发酵温度不匹配。解决这些问题的方案之一是开发出能同时高效产生纤维素酶和高效发酵单糖产醇的微生物(Breaking the Biological Barriers to Cellulosic Ethanol：A Joint Research Agenda.Report from the December 2005 Workshop，DOE/SC-0095.U.S.Department of Energy Office of Science)。

在医药领域，通过催化具有强有力的生物学活性的糖苷配基单元的释放和生产，β-葡萄糖苷酶可用于抗肿瘤试剂的生产；在食品领域，能催化大豆中的抗癌成份大豆异黄酮(如genistein、diadzein等)使其从不易为人体吸收的结合型糖苷转化为易为人体吸收的游离型苷元；在化工领域，能催化醇和糖合成烷基糖苷(一类新型具有阴离子性质的非离子表面活性剂)。